Water is een simpele stof, dus zouden we het tegenwoordig wel volledig moeten hebben uitgezocht. Toch? Niet dus.

Je zou denken dat diwaterstofoxide – of gewoon water – een van de eenvoudigste chemische verbindingen is. Het bestaat immers uit slechts twee waterstofatomen en een zuurstofatoom. Maar niets is minder waar. Sterker nog, wetenschappers hebben 70 eigenschappen van vloeibaar water geïdentificeerd die geen enkele andere vloeibare stof (die we kennen) heeft.

Verder kan water in drie fases voorkomen: als gas, als vaste stof en als vloeistof. Maar ook dat lijkt niet te kloppen, want zo kan ijs al in meer dan vijftien verschillende vormen voorkomen. En nu kan er nog een eigenaardigheid aan water worden toegewezen, want onderzoekers van de Stockholm University hebben aangetoond dat water in vloeibare vorm ook nog eens in twee verschillende vormen kan bestaan.

Amorf ijs

Wetenschappers spelen al langer met het idee dat vloeibaar water in twee verschillende staten kan voorkomen. Die theorie is gebaseerd op het feit dat ijs ook in twee ‘gedaantes’ kan verkeren: in een zogenaamde hoge en een lage dichtheidsvorm.

Even voor de goede orde: we hebben het hier niet over ijs dat je in klontjes in je limonade doet, maar over amorf ijs. Dit betekent dat watermoleculen niet netjes zijn geordend zoals in kristallijn ijs. Amorf ijs is eigenlijk sterk onderkoeld vloeibaar water, waarbij de moleculen ongeordend zijn. Dit type ijs kan verkeren in een hoge of een lage dichtheid. Bij de juiste temperatuur en druk kan amorf ijs vrijwel onmiddellijk tussen de twee vormen wisselen.

En vloeibaar water?

De onderzoekers uit Stockholm vroegen zich af of die twee staten die amorf ijs heeft, nog steeds blijven bestaan wanneer dit ijs smelt. Om dat te onderzoeken, gebruikte het team twee X-rays om de afstand tussen de individuele moleculen bij lage temperaturen te meten.

Met behulp van deze techniek zagen de onderzoekers hoe het water overging van een amorfe toestand (oftewel niet-gekristalliseerd ijs) naar een stroperige (viskeuze) vloeistof en vrijwel meteen daarna overging in een nog stroperigere vloeistof met een lagere dichtheid. Kortom, vloeibaar water kan ook in zowel een hoge als een lage dichtheid voorkomen.

The cosmic juice

Ook Jan Engberts (Rijksuniversiteit Groningen) blijft zich verbazen over water, ook wel the cosmic juice genoemd. “Wat de onderzoekers in Stockholm hebben gevonden is heel onverwacht. Bij snel koelen van water wordt amorf ijs gevonden en wel in twee vormen (dat was al bekend): één met een hoge dichtheid en één met een lage dichtheid.”

“Met twee geavanceerde X-ray technieken werd gevonden dat de overgang tussen deze twee vormen van ijs plaatsvindt via twee verschillende vloeibare fases. Deze twee fases zijn nooit eerder gevonden en voegen weer een nieuw aspect toe aan onze kennis van de complexe waterstofbrugnetwerken van water. Veel verder onderzoek zal nodig zijn om deze vinding verder in kaart te brengen, maar het artikel in PNAS is zeker een echte highlight.”

Gecompliceerde relatie

Volgens de onderzoekers zelf, geeft deze ontdekking aan dat water bij kamertemperatuur niet kan ‘besluiten’ welke vorm aan te nemen: een lage of hoge dichtheidsvorm. Dit resulteert dan in lokale schommelingen tussen de twee staten.

Of zoals Lars Pettersson, een van de onderzoekers, het zelf graag formuleert: “Water is geen complexe vloeistof; het bestaat uit twee simpele vloeistoffen die samen een gecompliceerde relatie hebben.”

Bronnen: Proceedings of the National Academy of Sciences, Science Daily, ScienceAlert, Popular Mechanics

Beeld: Mattias Karlén